金属氧化物纳米颗粒对强化生物除磷过程的影响机制及模型化研究

Modelling and optimisation based on mechanism model is a cost-efficient technology for optimisation of enhanced biological phosphorus removal (EBPR) process in wastewaer treatment plants in China. However, the increasing utilization of metal oxide nanoparticles inevitably introduces them into wastewater treatment plants (WWTPs). As a result, the metal oxide nanoparticles can induce the adverse effect on phosphorus removal. The existing phosphorus removal models do not consider the effect of metal oxide nanoparticles, and can therefore not adequately predict the performance of EBPR system disturbed by metal oxide nanoparticles. Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are a typical kind of metal oxide nanoparticles since ZnO NPs are widely used and exhibit significant toxicity. Thus, this project is planned to establish a model considering the long-term effect of ZnO NPs on the EBPR process in the framework of the fully coupled activated sludge model proposed in our previous study. The new model will be developed based on the impact mechanisms of ZnO NPs on phosphorus removal process in floc- and granule-EBPR systems by investigating the change of system performance, variation of metabolic processes of microorganisms, evolution of dominant bacterial community, and variation of the kinetics of phosphorus removal process. The results will provide a good way for the further investigation of the effect of a new kind of pollutant (ZnO NPs as the representative) on biological phosphorus removal and is modelling, and thus promote the improvement of biological phosphorus removal model, which has the theoretical and practical significance in stable operation of WWTPs.

以机理模型为基础的模拟优化技术可为我国污水处理厂强化生物除磷（EBPR）工艺升级改造提供经济有效的技术支持。然而，金属氧化物纳米颗粒的广泛使用使其不可避免地被排入污水处理厂从而对生物除磷过程产生影响。现有的除磷模型并未考虑金属氧化物纳米颗粒的影响，无法实现对受金属氧化物纳米颗粒干扰的EBPR系统的准确模拟。本项目拟考察使用广泛、毒性较大的典型金属氧化物纳米颗粒氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）对絮状以及颗粒化EBPR系统宏观性能、微生物代谢过程、优势菌群结构及除磷过程动力学的长期影响，探明ZnO NPs对2种系统除磷过程的影响机制，并基于课题组前期研究成果：全耦合活性污泥模型，提出ZnO NPs的影响机理模型。研究结果将为深入开展以ZnO NPs为代表的新兴污染物对生物除磷过程的影响机制及模型化研究提供参考，有望促进生物除磷机理模型的进一步完善，对城镇污水处理厂的稳定运行具有理论与现实意义。

金属氧化物纳米颗粒的广泛使用使其不可避免地被排入污水处理厂从而对生物除磷过程产生影响。现有的除磷模型并未考虑金属氧化物纳米颗粒的影响，无法实现对受金属氧化物纳米颗粒干扰的EBPR系统的准确模拟。本项目通过考察使用广泛、毒性较大的典型金属氧化物纳米颗粒氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）对絮状以及颗粒化EBPR系统的长期影响，探明ZnO NPs对2种系统除磷过程的影响机制，提出ZnO NPs的影响机理模型。试验结果发现，ZnO NPs对絮状及颗粒化EBPR系统的污泥沉降性能及除磷性能存在抑制作用，而且颗粒化EBPR系统的耐受能力远大于絮状EBPR系统。进一步试验研究发现，ZnO NPs会阻碍聚羟基脂肪酸酯的合成与消耗，使胞外聚合物（EPS）中的蛋白质（PN）与多糖（PS）含量降低，造成污泥松散现象。相比颗粒化EBPR系统，ZnO NPs更容易引起絮状EBPR系统中PS的快速下降，导致投加ZnO NPs后PN/PS的快速上升，而高PN/PS比值更不利于系统的稳定。菌群结构演化分析结果表明，ZnO NPs的长期作用会对聚磷菌产生强烈的抑制。ZnO NPs浓度越高，聚磷菌被抑制的程度也越高，恢复速度越慢，恢复程度也越低。与絮状污泥相比，颗粒化EBPR系统中的聚磷菌恢复速度更快，恢复程度也更高。这可能是由于颗粒污泥具有更好的污泥结构与更丰富的微生物量，使得颗粒污泥具有更佳的耐毒性与可恢复性。基于试验结果，用非竞争性抑制方程对课题组前期研究成果：全耦合活性污泥模型（FCASM模型）进行修正，考虑了ZnO NPs对生物除磷过程的影响。模拟结果与实测值相接近，这表明利用非竞争性抑制方程对FCASM模型进行修正后能较好地反映ZnO NPs对EBPR系统的抑制作用。该研究结果可为深入开展以ZnO NPs为代表的新兴污染物对生物除磷过程的影响机制及模型化研究提供参考，对城镇污水处理厂的稳定运行具有理论与现实意义。